無線傳感器網絡是由大量微型傳感器節(jié)點通過無線自組織方式構成的網絡。它集成了傳感器、微機電和無線通信三大技術，能夠實時地感知、采集和處理網絡覆蓋范圍內的對象信息，并發(fā)送給觀察者；具有覆蓋區(qū)域廣、可遠程監(jiān)控、監(jiān)測精度高、布網快速和成本低等優(yōu)點，在軍事、環(huán)保、醫(yī)療保健、空間探索、工業(yè)監(jiān)控、精細農業(yè)等領域均有非常良好的應用前景。 1、無線傳感器網絡結構 如圖1所示，無線傳感器網絡系統(tǒng)通常包括若干傳感器終端節(jié)點、一個Sink節(jié)點和一套后臺監(jiān)控軟件。其中，傳感器終端節(jié)點具有本地數據采集傳輸和轉發(fā)鄰節(jié)點數據的雙重功能，可以在后臺管理軟件和Sink節(jié)點的控制下采集數據，并將數據經過多跳路由傳輸到Sink節(jié)點；Sink匯聚節(jié)點是網絡的中心，具有協(xié)調器和網關的作用，負責網絡的配置、管理和數據的匯集，并負責與用戶PC機后臺管理軟件的通信。 2、系統(tǒng)硬件設計 無線傳感器網絡終端節(jié)點的硬件一般包括處理單元、無線傳輸單元、傳感采集單元和電源供應單元。其中，處理單元負責控制傳感器節(jié)點的操作以及數據的存儲和處理；傳感采集單元負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集；無線傳輸單元負責節(jié)點間的無線通信；電源供應單元負責為節(jié)點供電。Sink節(jié)點功能更多，除包含上述功能單元以外，還包含與后臺監(jiān)控通信的接口單元。本文用串口作為Sink節(jié)點與后臺監(jiān)控軟件的通信接口。 本設計中處理單元采用了TI公司的16位低功耗單片機MSP430F1611，無線傳輸單元采用低功耗無線收發(fā)模塊CC1100，傳感采集單元采用溫濕度傳感器DHT90，電源模塊采用兩節(jié)普通7號電池。此外，考慮到很多數據具有時間相關性，本設計還加入了實時時鐘DS1337構成的時間控制單元。節(jié)點組成如圖2所示，節(jié)點實物圖如圖3所示。 2.1 處理單元 MSP430F1611突出的特點是可以實現極低的功耗。它有5種可編程的工作模式，其中活動模式下工作電流僅需280μA，LPM4模式下僅需0.1 μA。MSP30F1611內部具有44 KB的Flash存儲器和10 KB的RAM，以及豐富的外設。本文中，MSP430F1611使用I2C接口連接RTC，SPI接口連接無線收發(fā)模塊，UART接口連接串口通信單元。 2.2 無線收發(fā)單元 無線收發(fā)單元選用Chipcon公司的CC1100射頻芯片。該芯片體積小，功耗低，數據速率支持1.2～500 kbps的可編程控制，可以工作在915 MHz、868 MHz、433MHz、315 MHz四個波段，在所有頻段提供-30～10 dBm輸出功率。本文中CC1100工作在433 MHz的頻率上，采用FSK調制方式，數據速率為100 kbps，信道間隔為200kHz。 CC1100與單片機采用SPI接口連接，原理圖如圖4所示。SPI總線接口技術是一種高速、高效率的串行接口技術，主要用于擴展外設和進行數據交換。 下面是利用SPI與MSP430F1611通信的示例代碼。 （1） 往CC1100指定寄存器寫入一個數值 （2） 讀單個寄存器值 圖5和圖6為利用CC1100進行數據收發(fā)的流程圖。 2.3 數據采集單元 節(jié)點的數據采集單元可以根據實際需要和被監(jiān)測物理信號特征選擇合適的傳感器，如光照、壓力、振動、溫度、濕度、土壤鹽堿度等。 本文數據采集單元采用了Sensirion公司的數字式溫濕度傳感器DHT90。DHT90集成了溫度／濕度傳感器、信號放大調理器、A／D轉換器和總線接口，能夠進行全校準數字輸出，可以直接提供溫度在-40℃～120℃范圍內、分辨率為14位、濕度在0～100％RH范圍內且分辨率為12位的數字輸出。 2.4 時間控制單元 時間控制單元用于設置、記錄數據采集的時間，以便后臺用戶能夠依靠采集時間對數據進行處理。本文選用Maxim公司的串行實時時鐘芯片DS1337作為時間控制單元。DS1337可以工作在1.8～5.5 V，并且具有很低的功耗，在休眠模式下僅需要15 μA。 2.5電源供應單元 本文采用兩節(jié)7號堿性南孚電池為整個節(jié)點供電。為了能夠及時獲取節(jié)點電池的電量狀況，并根據電池的剩余電量狀況和放電特性來調整節(jié)點的通信狀態(tài)，本文利用MSP430F1611芯片內部集成的ADC12模塊測量電源正極電平值，并通過將所測電平值與參考電平進行比較，得到轉換數據NADC，最后電源的電壓Vin可以由下式得出： 式中：VR+為參考電壓正極，VR-為參考電壓負極，Vin為ADC12轉換得到的電壓值，NADC為單片機轉換寄存器值。 2.6 串口通信單元 網絡中只有Sink節(jié)點才包含串口通信單元，終端節(jié)點無需串口通信單元。Sink節(jié)點的處理單元MSP430F1611通過串口通信單元與后臺監(jiān)控主機通信。Sink節(jié)點通過串口通信模塊可以將自身收集的全網信息數據傳送給后臺監(jiān)控主機，研究人員根據監(jiān)控軟件對收集數據的智能處理結果向傳感器網絡發(fā)布數據和命令。 3、協(xié)議軟件設計 3.1 拓撲結構 制定網絡協(xié)議首先要確定的是網絡的拓撲結構。本文所設計的無線傳感器網絡協(xié)議采用簇-樹（cluster-tree）拓撲。簇-樹拓撲是由網絡協(xié)調器（coordinator）展開生成樹狀的拓撲結構，適合于節(jié)點靜止或者移動較少的場合；不需要存儲路由表，具有路由算法復雜度低、無初始延時等優(yōu)點。 3.2 通信協(xié)議棧 無線通信協(xié)議的設計目的是使具體的通信機制與上層的應用分離，為傳感器節(jié)點提供網絡通信的功能。為了降低網絡設計的復雜性，采用分層設計，參考OSI模型，將整個協(xié)議分為4層：物理層，提供簡單但健壯的信號調制和無線收發(fā)技術；MAC層，負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；網絡層，主要負責路由生成和路由選擇；應用層，包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件。系統(tǒng)通信協(xié)議構架如圖7所示。 整個系統(tǒng)協(xié)議設計包括Sink節(jié)點協(xié)議設計和終端節(jié)點協(xié)議設計。由于篇幅有限，本文僅介紹終端節(jié)點的軟件協(xié)議和系統(tǒng)主程序。 如圖8所示，終端節(jié)點在初始化成功后進入信道掃描偵聽狀態(tài)，當偵聽到有鄰居節(jié)點活動時便向鄰居節(jié)點請求時標幀；節(jié)點依據接收到的時標幀同步自己的時鐘，節(jié)點時鐘同步后進入接入狀態(tài)，接人成功后節(jié)點進入業(yè)務狀態(tài)。處于業(yè)務狀態(tài)的節(jié)點，執(zhí)行后臺和Sink節(jié)點發(fā)布的命令，進行數據的傳感采集與傳輸，以及對鄰節(jié)點數據的中繼轉發(fā)。節(jié)點為了實現低功耗，必須在業(yè)務狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間進行輪換。 4、系統(tǒng)節(jié)能問題 在整個網絡系統(tǒng)的設計中，節(jié)約能量一直是考慮的重中之重。系統(tǒng)的節(jié)能，一靠硬件系統(tǒng)本身的低功耗，二靠軟件協(xié)議的低功耗。在硬件方面，本文節(jié)點選擇的都是低功耗的芯片，布板也充分考慮了低功耗要求；在軟件方面，除了采用休眠機制以外，還采用了基于電池能量模型的路由協(xié)議，使得節(jié)點能夠根據電池能量特性來工作，從而延長了電池的使用壽命。 結語 本文主要介紹了一種基于MSP430F1611單片機和CC1100無線收發(fā)模塊，能夠實現精確采集環(huán)境溫濕度信息的無線傳感器網絡硬件設計和軟件設計方案。在實際組網測試中，筆者構建了19個終端節(jié)點和1個Sink節(jié)點的演示系統(tǒng)，節(jié)點每休眠兩個小時醒來一次，節(jié)點醒來之后采集數據并發(fā)送給觀察者。實驗表明，采用這種方式構建的無線傳感器網絡系統(tǒng)數據采集及時準確，而且能以極低的功耗進行工作。